高层建筑优化设计管理论文

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摘要：。通过将外围框筒结构改为框撑结构，与内筒构成框撑－核心筒结构体系，经过计算分析，该结构体系可取得较好的抗侧刚度，能满足现行规范的要求，并能节约混凝土用量约7000m3，增加建筑使用面积约2000m2。这种结构体系具有减轻自重、提高刚度、扩大建筑空间的优点，是超限高层建筑结构比较经济、合理、可行的一种结构体系。

关键词：框撑－核心筒结构超限高层受力性能刚度

1工程概况[1]

本工程位于重庆市渝中区的中心地带，建筑面积约100000m2，由7层裙楼及56层塔楼组成，裙房平面尺寸为81m×54m，塔楼平面尺寸为34m×34m（外包尺寸为37.6m×37.6m），将地下二层按规范要求的嵌固构造处理，使其作为上部的嵌固端，嵌固以下埋深11.9m，以上229.3m（结构计算高度）。建筑总高度为241.2m（未包括出屋面的电梯，观景厅及水箱间的高度），核心筒平面尺寸14.6m×14.6m。该结构平面布置规则、对称，竖向抗侧力构件上下连续贯通、无刚度突变（见图1、2）。

该项目地下部分及塔楼筏板基础建成后停工至今已达三年之久，被市列为“四久工程”。

2结构优化

2004年7月业主委托我院对该项目进行方案优化设计，要求方案满足建筑扩大空间、结构安全、经济合理并符合超限高层建筑抗震规范要求。对原设计单位所作的结构设计方案，我院提出以下优化意见。

①减少外围框架柱数量，增大建筑空间

为满足建筑大空间的功能要求，将原设计方案中每边八根柱减少到每边五根柱，底层柱截面由原设计的1500mm×1500mm、1400mm×1500mm增大为1800mm×1800mm、1700mm×1700mm，上部各层柱分段减小，以满足轴压比的要求。优化后可以增加建筑使用面积约750m2，并节约混凝土用量约2700m3。为了弥补结构抗侧刚度的不足，在塔楼四角区设置“L”型桁架（见图3），构成框架桁架结构，内部布置剪力墙核心筒，形成框撑－核心筒体系。并且在建筑上将四周的支撑暴露，造型美观，具有独特的标志性风格。

图1结构平面示意图图2建筑轴侧图

②减小核心筒内墙墙体厚度

经过计算分析，芯筒内的内墙对抗侧刚度贡献较小，主要承受的竖向荷载是墙体本身的重量，因此可以将内墙厚度适当减薄。原设计方案芯筒内墙厚度为800、400、350、250mm，优化设计后改为400、250、200mm。同时将原设计中芯筒外墙厚度也减少100mm，由此可以节约混凝土用量约4500m3，增加建筑使用面积约1250m2。

③其他

在满足结构安全的情况下，将原设计方案中窗群梁由500mm×1500mm优化为500mm×700mm，塔楼井字梁由250mm×450mm优化为200mm×400mm。

3结构整体分析

3.1设计基本参数

①设计基准期50年，使用年限100年，安全等级为一级，地基设计等级为甲级。

②本工程抗震设防烈度为6度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，建筑抗震设防类别为两类。由于本工程特别重要，现将建筑设防类别提高为乙类。由于本工程建筑场地为I类场地，仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为B级高度建筑，其结构抗震等级剪力墙和框架柱均为二级。

③场地的特征周期，水平地震影响系数最大值，放大系数。

④基本风压为0.45kN/m2，基本风压增大系数取1.2，即按0.54kN/m2取用。地面粗糙为C类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。

3.2主要结构构件截面

表1核心筒剪力墙尺寸

楼层

心筒外墙厚

心筒内墙厚

-2F～4F

800

400/250/200

5F～21F

700

400/250/200

22F～32F

600

350/250/200

33F～40F

500

350/250/200

41F～53F

400

300/200

53F以上

400

300/200

表2框架柱截面尺寸

楼层

角柱

中柱

框架主梁

-2F～4F

1800×1800

1700×1700

500×700

5F～22F

1800×1800

1700×1600

500×700

23F～31F

1700×1700

1700×1400

500×700

32F～39F

1600×1600

1700×1200

500×700

40F～52F

1400×1400

1700×1000

500×700

52F以上

1200×1200

1700×800

500×700

表3混凝土强度等级

楼层

核心筒墙

框架柱

梁、板

-2F～24F

C60

C60

C30

25F～33F

C50

C50

C30

34F～42F

C40

C40

C30

42F以上

C30

C30

C30

3.3计算模型与程序

根据本工程结果的特殊性，结构整体分析采用SATWE和TAT两种软件分析计算。为了优化结构设计，并充分利用已经施工完成的基础，根据专家组的建议，分别对六柱方案、五柱方案和四柱方案三种框撑－核心筒体系进行计算分析。综合分析以上三种方案，专家组一致推荐第二方案，即五柱方案。

3.4主要计算结果

①五柱方案

表4～表6为SATWE和TAT主要计算结果的对比分析。应说明的是，采用SATWE程序计算，可将楼板按弹性楼板考虑，消除了复杂结构体系按刚性楼板假定计算带来的误差。

(a)平面图(b)立面图

图3五柱方案

表4模态分析计算结果

分析软件

SATWE

TAT

备注

结构总质量（t）

147815.625

146626.9

第1周期（s）

5.6758

5.8466

第2周期（s）

5.5607

5.7573

第3周期（s）

2.3090

2.5085

<0.8T1

第4周期（s）

1.4015

1.4830

第5周期（s）

1.3840

1.4739

第6周期（s）

0.8100

0.8773

第7周期（s）

0.6542

0.6842

第8周期（s）

0.6194

0.6466

第9周期（s）

0.4535

0.4717

注：表中只列出了前9个周期。

表5抗风计算结果

分析软件

SATWE

TAT

备注

x向最大层间位移

1/1163

1/1033

满足规范要求

y向最大层间位移

1/1127

1/1012

满足规范要求

x向顶点位移

163.25

181.97

满足规范要求

y向顶点位移

170.03

185.73

满足规范要求

x向总剪力（kN）

12813.6

12999.04

y向总剪力

12796.3

12982.13

x向总倾覆力矩（kN·m）

1860922

1896806.4

y向总倾覆力矩（kN·m）

1860582

1896478.6

表6抗震计算结果

分析软件

SATWE

TAT

备注

x向最大层间位移

1/1836

1/1969

满足规范要求

y向最大层间位移

1/1804

1/1968

满足规范要求

x向顶点位移

102.01

90.62

满足规范要求

y向顶点位移

105.01

91.26

满足规范要求

x向总剪力（kN）

8410.2

11730.15

y向总剪力

8491.4

11730.15

x向总倾覆力矩（kN·m）

1124786

1565804.38

y向总倾覆力矩（kN·m）

1112582

1536540.25

考虑第I振型，并忽略阻尼的有利影响，计算出结构顶点顺风和横风最大加速度：，，均满足高规规定的小于0.15m/s2的要求。

②六柱方案

最大轴压比0.66

结构顶层最大加速度：，。

内筒尺寸不变，外框架柱底层面积率为原设计方案（“筒中筒”方案）的71.4％。

(a)平面图(b)立面图

图4六柱方案

③四柱方案

(a)平面图(b)立面图

图5四柱方案

最大轴压比0.69

结构顶层最大加速度：，

内筒尺寸不变，外框架柱底层面积率为原设计方案（“筒中筒”方案）的76.0％，需设置三个加强层。

④计算结果对比分析

表7计算结果对比分析表

T

Δ/h

备注

筒中筒体系

6.2951

1/817

0.75

原设计方案

框撑－核心筒结构体系

六柱方案

5.4618

1/1433

0.66

0.05890

四柱方案

5.7756

1/1237

0.69

0.13840

有加强层

五柱方案

5.6758

1/1127

0.65

0.09270